Photonischer Quantencomputerchip „Made in Germany“ Projekt PhoQuant: Quanten-Rechenpower bei Raumtemperatur

Von Michael Eckstein

Quantencomputer gelten für bestimmte Aufgaben als Rechner der Zukunft – sind aber noch weit von einer breiten industriellen Nutzbarkeit entfernt. Vor allem der enorme Kühlaufwand verhindert bislang den großflächigen Einsatz. Das deutsche Forschungsprojekt PhoQuant will das mit neuartigen photonischen Quantenchips ändern.

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Grafische Darstellung eines photonischen Quantencomputers mit Ringresonatoren als Quantenlichtquellen (violette Kreise), Wellenleitern (violette Linien), elektrisch modulierbaren Mach-Zehnder-Interferometern (Rauten) sowie elektrischen Kontakten (schwarze Kästchen), Chipansteuerung (schwarze ICs mit dem Q-Logo) und Verdrahtung (goldene und weiße Linien).
Grafische Darstellung eines photonischen Quantencomputers mit Ringresonatoren als Quantenlichtquellen (violette Kreise), Wellenleitern (violette Linien), elektrisch modulierbaren Mach-Zehnder-Interferometern (Rauten) sowie elektrischen Kontakten (schwarze Kästchen), Chipansteuerung (schwarze ICs mit dem Q-Logo) und Verdrahtung (goldene und weiße Linien).
(Bild: Fraunhofer IOF)

Durch das Vernetzen möglichst vieler Qubits (Zweizustands-Quantensysteme) sollen künftig massive Datenmengen leichter, schneller und sicherer verarbeitet werden. In dem neuen Projekt PhoQuant forscht ein Konsortium unter der Führung des Quanten-Start-ups Q.ANT an photonischen Quantencomputerchips „Made in Germany“. Eine besondere Herausforderung dabei: Die Chips sollen auch bei Raumtemperatur funktionieren.

„PhoQuant“ ist der Schmelztiegel, in dem langjährige Erfahrung im Bereich Spitzenforschung und Wirtschaft kulminieren. Ziel ist es, die Quantentechnologie in einem industriellen Maßstab anwendbar zu machen. Aktuelle Quantencomputer arbeiten nur bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von –273,15 °C. Dementsprechend hoch ist der Kühlaufwand – und damit auch die Energieaufnahme. Zudem ist eine direkte On-Chip-Kopplung mit klassischen Rechnerarchitekturen nicht möglich. Um eine Symbiose aus Quantencomputer-Chips und herkömmlichen Großrechnern zu ermöglichen, wird in dem Forschungsvorhaben „PhoQuant“ das neue Photonik-Chip-Verfahren angewandt.

Das Projekt „PhoQuant“ wird mit rund 50 Millionen Euro finanziert. Davon kommen rund 42 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), während die Konsortialpartner rund 8 Millionen Euro beisteuern. Mit den Fördermitteln soll eine Demonstrations- und Testanlage für photonische Quantencomputer-Chips und andere Quantencomputer-Komponenten aufgebaut werden. Dabei entwickelt das Konsortium Algorithmen und Technologien für das photonische Quantencomputing und bereitet den industriellen Einsatz vor.

Photonische Integration: Quantenzustände bei Raumtemperatur kontrollieren

Das Versprechen: Die für die Rechenoperationen benötigten Funktionen können auf einem einzigen Chip mittels ausgereifter Halbleiter-Fertigungsverfahren hergestellt werden. Durch das Aufbringen spezieller Lichtkanäle auf Silizium-Wafer sollen sich in diesen sogenannten „photonic integrated circuits“ (PIC) Quantenzustände auch bei Raumtemperatur nahezu verlustfrei manipulieren, steuern und kontrollieren. Somit ermöglicht dies zukünftig den Einsatz der Chips auch zur Ergänzung von herkömmlichen Großrechnern.

„Wir stehen am Beginn des Quantencomputerzeitalters“, sagt Michael Förtsch, CEO von Q.ANT, „und das weltweite Rennen um Marktanteile dieser Zukunftstechnologie hat begonnen.“ Die nun bereitgestellten Mittel für diese Forschungsallianz seien ein wichtiger Baustein für einen Quantencomputer „Made in Germany“. Das PhoQuant-Projekt ist für eine Laufzeit von fünf Jahren ausgelegt. In dieser Zeit soll das Ziel erreicht werden, „einen Vorteil für die Berechnung von industrierelevanten Anwendungen bereitzustellen“. Zugeschnitten auf die neue Architektur werden im Laufe des Projektes sowohl optimierte Algorithmen für spezielle Problemstellungen, als auch Algorithmen für das universelle Quantencomputing entwickelt und per Cloud-Anbindung für die Öffentlichkeit bereitgestellt.

Echtzeitoptimierung von komplexen Ablaufplänen an Flughäfen

Ein erstes Beispiel ist die komplexe Echtzeitoptimierung von Ablaufplänen an Flughäfen bei unvorhergesehener Verspätung. Hierfür entwickelt das Konsortium eine neue photonische Rechnerarchitektur. Während der Projektlaufzeit soll ein Quantencomputer mit bis zu 100 Qubits stehen. Zum Vergleich: Der IBM-Quantenprozessor Quantum Eagle, der noch in diesem Jahr live gehen soll, arbeitet mit 127 Qubits. Und noch in 2023 will das Unternehmen seinen Condor genannten Quantencomputer mit 1.121 QuBits fertigstellen. Doch diese Systeme funktionieren – anders als PhoQuant – eben nur bei extremen Minustemperaturen.

Deutschland hat klar gemacht, dass es auf dem Gebiet der Quantencomputer das Feld nicht anderen Technologie-Schwergewichten wie den USA oder China überlassen will. Vielmehr soll die Bundesrepublik eine führende Rolle einnehmen – und dafür nimmt sie Milliarden Euros in die Hand. So ist auch die Förderung für PhoQuant ein wichtiges Signal für den Innovationsstandort Deutschland. In dieser Tradition stehen auch Projekte wie PhotonQ und der Aufbau des ersten konkreten Quantencomputers im Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching.

Fraunhofer IPMS sorgt mit FPGA- und ASIC-Knowhow für Schnittstellen zum photonischen Quantenchip

Einer der 14 Konsortialpartner ist das Dresdner Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS. „Das Fraunhofer IPMS entwickelt im Rahmen dieses Projekts FPGA und ASIC-Architekturen mit aktiven Schnittstellen zur hochpräzisen Ansteuerung und Auswertung von Funktionalitäten des photonischen Quantencomputer-Chips“, erklärt Marcus Pietzsch, Leiter des Projekts PhoQuant am IPMS. Hierfür seien neben Knowhow in der Photonik, insbesondere Kompetenzen im Mixed-Signal-Steuerungs-Design für FPGA und ASICs von Nöten. „Kompetenzen, die wir einbringen können, um zusammen mit den Konsortialpartnern ein gemeinsames Ziel umzusetzen: Einen performanten photonischen Quantencomputer zu realisieren.“

In zweieinhalb Jahren wollen die Projektpartner einen ersten Prototyp vorlegen, in spätestens fünf Jahren soll ein Quantencomputerchip entstehen, der großflächige Berechnungen durchführen kann. Aktuell sehen Experten den Einsatz von Computern mit Quantenchips in Branchen wie der chemischen Industrie, der Biomedizin und den Materialwissenschaften.

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